1. 引言
降水现象是影响自然环境、社会生活、农业生产、交通运输以及军事行动的重要气象因素，是常规地面气象观测业务的基本内容之一 [1] 。随着科学技术的发展，国内外除使用常规气象雨量观测仪器外，陆续使用过基于撞击感压法、光强衰减法、线阵或面阵摄像法的降水观测仪器，典型的有瑞士Joss-Waldvogel雨滴谱仪 [2] 、德国OTT Parsivel雨滴谱仪 [3] 、奥地利二维视频雨滴谱仪 [4] 和中国降水微物理特征测量仪 [5] ，这些仪器不仅能够测量降水量、降水强度和累计时间等宏观量，还可以测量降水粒子大小、速度、相态和谱分布等微观量。为检验雨滴谱仪在测量降水方面的性能，先后有周黎明 [6] 、贾小琴 [7] 、李力 [8] 、沙修竹 [9] 、吴宜 [10] 等分别对比了LNM型、HSC-PS32型和Parsivel型等激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计观测降水强度的差异，经过比对，上述激光雨滴谱仪与翻斗式雨量计观测降水强度变化基本一致，但在不同的降水量级和降水强度范围稍有差别。
随着我国气象现代化业务体质改革和地面自动化观测业务推进，杜波等 [11] [12] 对多种型号的降水现象仪从各个方面进行了对比观测试验，结果表明，降水现象仪观测降水现象的数据准确性均大于90%，各厂家同型号两台设备的观测数据一致性均大于92%，能够满足气象业务需求。目前降水现象仪已在全国气象台站普及应用，为检验其在实际业务中观测降水现象的准确性和可靠性，杜传耀 [13] 、申高航 [14] 、周坤论 [15] 等通过对DSG1型、DSG4型、DSG5型等降水现象仪观测数据与人工观测数据对比分析得出，上述仪器设备对降水的捕获率较高，记录的降水天气现象与人工观测基本一致，但记录的降水开始时间和结束时间与人工观测略有不同，需要进行更好的智能识别和质控算法优化。
为验证DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站在测量降水方面的一致性，本文统计了2017年9月至2021年8月鲁南地区枣庄国家气象观测站这两种新型气象雨量观测仪器观测的降水资料，以DZZ4型自动气象站观测降水量为参照，分析了DSG1型降水现象仪在测量降水方面的性能，为今后降水现象仪在地面气象观测业务中的应用提供基本参考。
2. 仪器与数据
2.1. 观测仪器
DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站均为江苏省无线电科学研究所研制生产的降水自动化观测仪器。DSG1型降水现象仪基于激光衰减原理的降水粒子直径和下落速度检测技术(如图1)，其激光采样面积为180 mm × 30 mm，当降水粒子穿越采样空间时，激光接收装置根据接收的激光信号强弱来判断降水粒子的尺度和速度，从而计算降水时间、降水量和尺度谱等参数，进而判断降水天气现象。DSG1型降水现象仪可观测32个尺度通道和32个速度通道的降水粒子，粒子尺度范围为0.2~25.0 mm，粒子速度范围为0.2~20.0 m∙s−1，采样间隔时间为60 s。
DZZ4型自动气象站根据季节不同使用SL-1型翻斗式雨量计或DSC1型称重式雨量计对降水进行测量。SL-1型翻斗式雨量计是地面气象观测业务中最常用的测量降水仪器，主要由承水器、上翻斗、汇集漏斗、计量漏斗、计数翻斗和干簧管等组成，可以测量降水强度、累积降水量及持续时间。DSC1型称重式雨量计采用精密电子秤对降落到承水筒内的降水重量进行自动测量，另外有加热装置来融化雪、雨夹雪或冰雹，可以测量雪、雨夹雪和冰雹等固态降水，通过一定时间内降水重量及其变化来计算降水强度、累积降水量和持续时间。翻斗式雨量计和称重式雨量计的分辨力为0.1 mm。
Figure 1. Schematic diagram of the operation of the precipitation phenomenon instrument
图1. 降水现象仪工作示意图
2.2. 观测数据
本文采用鲁南地区枣庄国家气象观测站2017年9月至2020年8月的降水资料，以DZZ4型自动气象站观测降水数据为基准，详细对比分析DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站在分钟降水量、小时降水量、日降水量的差异。对于小时降水量和日降水量，按照地面气象观测业务规定的降水量级划分标准进行区分(如表1)。
DSG1型降水现象仪生成的数据每日一个文件，每分钟一条记录，采用定长的随机文件记录方式写入，每一条记录5124 Byte，包括32个尺度范围和32个速度范围，记录的雨滴谱数据为32 × 32 = 1024个，尺度范围和速度范围分别由小到大编码为32个等级。DZZ4型自动气象站的分钟降水量数据为J文件，每分钟一条记录，采用不定长的随机文件记录方式写入，如若没有观测到降水将不记录。
Table 1. Standard for dividing hourly precipitation and daily precipitation
表1. 小时降水量和日降水量划分标准
2.3. 计算方法与数据筛选
由降水现象仪的工作原理得知，单位时间(1 min)内通过激光采样空间的降水粒子体积之和，再除以其面积，即为单位时间的降水量，表达式如下：
(1)
式中，Rt表示t时间(1 min)内的降水量，单位为mm。n(Di)表示t时间(1 min)内通过激光带的某个尺度范围等级(i)降水粒子个数，Di表示某个尺度范围等级(i)降水粒子平均直径。
通常情况下，降水粒子的直径和数目与降水量的大小成正比，降水粒子直径越大、数目越多，降水量就越大。自然降水中很少有超过直径6 mm的雨滴存在 [16] ，个别超过6 mm的降水粒子往往是雨滴合并产生的，因此计算降水量前需剔除直径大于6 mm的降水粒子。而相同质量的雨夹雪或雪体积(直径)比雨滴要大的多，根据公式(1)，降水现象仪观测的降水量比实际降水量明显偏大，因此本文不对比分析雨夹雪或雪降水过程的数据。
3. 分析与结果
3.1. 分钟降水量
对2017年9月至2020年8月鲁南地区枣庄国家气象观测站DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站的分钟降水量进行对比分析(如表2)，自动气象站分钟降水量为0.1 mm的分钟数为15,321个，降水现象仪分钟降水量均值为0.060 mm，平均差值为−0.040 mm，差值百分比均值为−40.01%。分钟降水量为0.2 mm以上的数据如下表不再赘述。
Table 2. Comparison table of minute precipitation between precipitation phenomenon instrument and automatic meteorological station
表2. 降水现象仪和自动气象站分钟降水量对比表
Figure 2. Mean percentage difference in minute precipitation between precipitation instrument and automatic weather station
图2. 降水现象仪和自动气象站分钟降水量差值百分比均值
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水量差值百分比均值图来看(如图2)，分钟降水量在0.2~0.7 mm之间，降水现象仪与自动气象站分钟降水量之间随着降水强度增加差距逐渐变小；在0.8~1.4 mm之间，两者差值百分比均值曲线起伏不大，基本保持在−10%左右；在1.5~2.8 mm之间，随着分钟降水数量减少，两者差值百分比均值曲线起伏较大。
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水量图来看(如图3)，降水现象仪分钟降水量比自动气象站分钟降水量偏小，但呈线性相关，相关系数约0.89。分钟降水量在0.1~1.3 mm之间，降水现象仪和自动气象站分钟降水量线性相关非常吻合；在1.4 mm以上，随着分钟降水数量减少，两者分钟降水量线性相关略有偏差。
Figure 3. Precipitation phenomenon instrument and automatic weather station minute precipitation chart
图3. 降水现象仪和自动气象站分钟降水量图
以上对比分析了DZZ4型自动气象站观测到降水时，DSG1型降水现象仪与其在分钟降水量的差异。当降水现象仪观测到降水而自动气象站无降水时(如表3)，降水现象仪分钟降水量数量为651个，均值为0.455 mm，自动气象站分钟降水量数量为21,179个，降水现象仪分钟降水量数量与自动气象站分钟降水量数量的比值约为3%，说明两者观测到降水的时间基本相同。
Table 3. Comparison table of minute precipitation between precipitation phenomenon instrument and automatic meteorological station (non null)
表3. 降水现象仪和自动气象站(非空值)分钟降水量对比表
3.2. 小时降水量
将DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水量按照小时时间间隔累计成小时降水量，再按照小时降水量划分标准(表1)进行对比分析。
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站小时降水量对比来看(如表4)：
小雨强度(0.1~2.4 mm)，自动气象站小时降水量均值为0.601 mm，降水现象仪小时降水量均值为0.358 mm，平均差值为−0.243 mm，差值百分比均值为−30.59%。
中雨强度(2.5~8.0 mm)，自动气象站小时降水量均值为4.205 mm，降水现象仪小时降水量均值为2.744 mm，平均差值为−1.461 mm，差值百分比均值为−36.08%。
大雨强度(8.1~16.0 mm)，自动气象站小时降水量均值为11.436 mm，降水现象仪小时降水量均值为7.847 mm，平均差值为−3.589 mm，差值百分比均值为−31.71%。
暴雨强度(16.1 mm及以上)，自动气象站小时降水量均值为24.968 mm，降水现象仪小时降水量均值为17.684 mm，平均差值为−7.284 mm，差值百分比均值为−29.22%。
Table 4. Comparison table of hourly precipitation between precipitation phenomenon instrument and automatic meteorological station
表4. 降水现象仪和自动气象站小时降水量对比表
Figure 4. Precipitation phenomenon instrument and automatic weather station hourly precipitation chart
图4. 降水现象仪和自动气象站小时降水量图
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站小时降水量图来看(如图4)，降水现象仪小时降水量比自动气象站小时降水量偏小，但呈线性相关，相关系数约0.94。小时降水量在大雨强度以下，降水现象仪和自动气象站小时降水量线性相关比较吻合；在暴雨强度以上，随着小时降水数量减少，两者小时降水量线性相关略有偏差。
3.3. 日降水量
将DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水量按照气象标准日间隔累计成日降水量，再按照日降水量划分标准(表1)对其进行对比分析。
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站日降水量对比来看(如表5)：
小雨强度(0.1~9.9 mm)，自动气象站日降水量均值为2.574 mm，降水现象仪日降水量均值为1.636 mm，平均差值为−0.938 mm，差值百分比均值为−14.10%。
中雨强度(10.0~24.9 mm)，自动气象站日降水量均值为15.555 mm，降水现象仪日降水量均值为10.155 mm，平均差值为−5.4 mm，差值百分比均值为−34.21%。
大雨强度(25.0~49.9 mm)，自动气象站日降水量均值为33.029 mm，降水现象仪日降水量均值为22.167 mm，平均差值为−10.862 mm，差值百分比均值为−31.18%。
暴雨强度(50.0 mm及以上)，自动气象站日降水量均值为85.381 mm，降水现象仪日降水量均值为57.912 mm，平均差值为−27.469 mm，差值百分比均值为−32.17%。
Table 5. Comparison table of daily precipitation between precipitation phenomenon instrument and automatic meteorological station
表5. 降水现象仪和自动气象站日降水量对比表
Figure 5. Precipitation phenomenon instrument and automatic weather station daily precipitation chart
图5. 降水现象仪和自动气象站日降水量图
从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站日降水量图来看(如图5)，降水现象仪日降水量比自动气象站日降水量偏小，但呈线性相关，相关系数约0.95。日降水量在中雨强度以下，降水现象仪和自动气象站小时降水量线性相关比较吻合；在大雨强度以上，随着日降水数量减少，两者小时降水量线性相关略有偏差。
4. 结论与讨论
本文统计了2017年9月至2020年8月鲁南地区枣庄国家气象观测站DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站这两种新型气象雨量观测仪器观测的降水资料，详细对比分析了降水现象仪和自动气象站分钟降水量、小时降水量和日降水量的差异，形成如下结论：
1) 从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水时间来看，降水现象仪和自动气象站观测的降水时间基本相同，但降水现象仪观测的降水时间比自动气象站观测的降水时间偏多约3%左右。
2) 从DSG1型降水现象仪和DZZ4型自动气象站分钟降水量、小时降水量及日降水量对比来看，降水现象仪比自动气象站降水量偏小，这与付志康等 [17] 研究得出的结论基本一致。在中等降水强度及以下，降水现象仪和自动气象站降水量线性相关比较吻合，但随着降水强度增大和降水数量减少，两者降水量线性相关略有偏差。
3) 从DSG1型降水现象仪与DZZ4型自动气象站对比来看，降水现象仪在地面气象降水观测业务中有着比较良好的表现，由于这两种新型气象雨量观测仪器测量原理不同，降水现象仪比自动气象站有更高的时间及空间分辨率，对降水开始和结束时刻记录的更早更准确。
基金项目
山东省气象局面上项目课题“雨滴谱资料在雷达定量降水估测中的应用研究”(编号：2019sdqxm16)。